青海湖流域水資源變化特征研究

張 明，曹學章

(環境保護部 南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042)

青海湖流域水資源變化特征研究

張 明，曹學章

(環境保護部 南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042)

氣候變化；降水量；蒸發量；徑流量；青海湖

利用青海省天峻、剛察、海晏和共和氣象站建站到2010年的觀測數據，以及布哈河口、剛察和下社水文站多年的觀測數據，從降水量、氣溫、徑流量和蒸發量的多年變化分析青海湖流域的氣候變化趨勢。結果表明，歷年年平均降水量、蒸發量和徑流量都沒有明顯的變化，處于相對比較穩定的狀態，而氣溫變化則呈現明顯的增加趨勢；青海湖水位變化與降水量、氣溫關系密切。

近100年來全球氣候正經歷一場以變暖為主要特征的顯著變化，這種變化是由自然氣候和人類活動共同引起的。近50年來中國年平均氣溫升高了1.1 ℃，增溫速率為0.22 ℃/10 a，比全球或北半球同期平均值高得多，尤其是青藏高原地區增溫比較顯著[1-3]。作為世界的“第三極”，青藏高原是對氣候變化最敏感的地區之一。青海湖流域位于青藏高原東北邊緣，處于黃土高原、西北干旱區和青藏高寒區的過渡地帶，響應全球變化引起的青藏高原氣候變化更加敏感。流入青海湖的河流有50余條，這些河流均屬于降水和冰雪融水補給型，降水和冰雪融水占年徑流量的90%以上，徑流量年內及年際變化大，與降水和冰雪融水同步變化。流域的降水量、蒸發量是影響青海湖流域河流水文、水資源狀況的主要因素，同時水文、水資源變化又對流域植被、水循環、生態環境等具有重要影響[4-6]。因此，本研究擬從降水、蒸發和地表徑流等方面研究青海湖流域近50年的水資源變化特征。

1 流域概況

青海湖位于青藏高原東北端、祁連山地的東南部，四周高山環繞，地理位置介于北緯36°32′～37°15′、東經 99°36′～100°46′之間，東西長106 km、南北寬63 km、周長約360 km，湖面海拔3 194 m ，湖水最深處26 m，平均深度16 m，2010年湖面面積4 331 km2。青海湖流域面積29 661 km2，其中山地占68.6%，平原占31.4%。

2 數據來源

青海湖流域內及周邊4個氣象站(天峻、剛察、海晏、共和，圖1)建站至2010年的觀測數據來自青海省氣象局。觀測數據主要有：氣溫(日平均、日最高、日最低)、氣壓(日平均、日最高、日最低)、相對濕度(日平均、日最小)、風速(日平均、日最大)、降水量(日合計、雪深、雪壓)、地溫(日最高、日最低，0、5、10、15、20 cm)、日照時數、蒸發量、凍土深度等，時間序列為1958—2010年。

圖1 青海湖流域氣象站與水文站分布

流域內3個水文站(布哈河口、剛察、下社，圖1)多年來的觀測數據來自青海省水文水資源勘測局。觀測數據主要有日均降水量、氣溫、岸溫、含沙量、徑流量、水面蒸發量、水溫等，布哈河口、剛察、下社水文站觀測數據時間序列分別為1980/1982/1983—2010年。

3 研究方法

采用Kendall秩次相關檢驗法、Spearman秩次相關檢驗法、線性趨勢回歸檢驗法，取顯著性水平分別為0.05、0.01，對氣象站、水文站歷年年平均降水量、氣溫、蒸發量的序列趨勢性進行統計檢驗和分析。利用EMD(Empirical Mode Decomposition，經驗模態分解)方法對青海湖流域降水量、氣溫、蒸發量數據進行周期性分析，得到了各站的IMF(Intrinsic Mode Function，本征模態函數)分量和相應的方差貢獻率。借助于變差系數、變化幅度(相對變化幅度、絕對變化幅度)等指標，研究降水量和徑流量的年際分布特征。

4 結果與討論

4.1 干旱指數的變化趨勢

干旱指數是反映某一地區氣候干濕程度的指標之一，在氣候學上一般以各地年水面蒸發能力與年降水量的比值來表示。干旱指數與氣候干濕分帶關系極為密切：通常干旱指數小于1.0時，說明該區域降水量超過水面蒸發能力，氣候濕潤或十分濕潤；干旱指數在1.0～3.0之間時，說明該區域降水量接近水面蒸發能力，氣候半濕潤；干旱指數在3.0～7.0之間時，說明該區域水面蒸發能力大于降水量，氣候偏干旱；干旱指數大于7.0時，說明氣候干旱，干旱指數越大，干旱程度越強烈。青海湖流域干旱指數在2～4之間(表1)，其中：湖周邊站點(布哈河口水文站、剛察水文站、下社水文站、剛察氣象站)干旱指數<3，說明湖周邊區域屬于半濕潤區；干旱指數隨著海拔的升高、降水量的增大、水面蒸發量的減小而減小；天峻氣象站干旱指數>3，屬于半干旱區，劃分結果與按降水量劃分結果基本一致。

表1 青海湖流域各氣象、水文站點的干旱指數

注：海晏、共和氣象站無相關數據。

4.2 降水量、氣溫與蒸發量的變化趨勢

變差系數是樣本序列的標準差與算術平均值的比值，是反映降水量年內變化不均勻性的重要指標[7]。1958—2010年，流域內歷年年平均降水量呈波動增加趨勢，但增加幅度較小，平均每年增加0.88 mm，多年平均降水量為344.47 mm，歷年年平均降水量最大值出現在1989 年，最小值出現在1978 年，絕對變化幅度為352.5 mm，相對變化幅度為2.67，變差系數為0.22。青海湖流域為封閉式內陸湖流域，流域內無過境河流，徑流完全依賴于降水和冰雪融水。期間流域內氣溫呈現明顯的增加趨勢，平均升溫幅度為0.03 ℃/a。流域內氣溫的升高導致冰雪融水增加，而冰雪融水量直接影響著流域地表徑流量和水資源量，因此流域內氣溫的變化對水文、水資源的變化有著重要的影響。蒸發是流域內水量循環的唯一消耗途徑，因此流域蒸發量的變化情況與流域水文、水資源的變化情況關系密切。期間流域內蒸發量的年際變化趨勢不太明顯，多年平均蒸發量維持在950 mm左右。以布哈河口水文站為例，其歷年年平均降水量、蒸發量及其5 a滑動均值過程線見圖2。

圖2 布哈河口水文站年降水量、蒸發量及其5 a滑動均值過程線

4.3 地表徑流量的變化趨勢

(1)徑流量的年內分配。徑流量年內分配的主要影響因素有降水季節變化和流域徑流形成區的地形、水文地質條件等。青海湖流域大多數河流徑流年內分配極不均勻：多年平均徑流量連續最大的4個月(6—9月)徑流量占全年徑流量的62%～82%；最大月徑流量多出現在7月，占全年徑流量的25%左右；最小月徑流量多發生在1、2月，其徑流量不足全年徑流量的1%。

(2)徑流量的年際變化。河川徑流量的年際變化主要取決于區域水汽條件、河川徑流的補給類型和流域下墊面狀況等。徑流量的年際變幅通常用變差系數、年徑流量極值比來表示。青海湖流域大多數河流以雨水或冰雪融水補給為主，受降水不穩定影響，年徑流量變化離差系數在0.36～0.78之間，同時年際變化較大，年徑流量極值比在4.32～9.53之間。

(3)徑流量豐枯變化。根據布哈河口水文站徑流量資料，布哈河多年平均徑流量為7.992億m3，其中1961—1968年為豐水期、1969—1977年為平水期、1978—1980年為枯水期、1981—1988年為平水期、1989—2001年為枯水期、2002—2010年為豐水期。根據剛察水文站徑流量資料，沙柳河多年平均徑流量為2.557億m3，其中1958—1976年為平水期、1977—1980年為枯水期、1981—1989年為豐水期、1990—2003年為平水期、2004—2010年為豐水期。

(4)年徑流量變化趨勢分析。采用滑動平均法、Kendall秩次相關檢驗法、Spearman秩次相關檢驗法、線性趨勢回歸檢驗法對青海湖流域主要河流代表站實測歷年年平均徑流量序列趨勢性進行統計檢驗和分析。以布哈河口水文站、剛察水文站為例(圖3)，由繪制的年徑流量及5 a滑動均值過程線可以看出，布哈河口站和剛察站的年徑流量都呈現略微的增加趨勢，但是變化趨勢并不明顯。

圖3 布哈河口、剛察水文站年徑流量及5 a滑動均值過程線

4.4 氣溫、降水量、蒸發量與徑流量的關系

分析布哈河口水文站和剛察水文站歷年年平均徑流量數據，結果表明流域內徑流量沒有明顯的變化，這一變化特征和流域內相應時段降水量與蒸發量的變化特征相近。

分析青海湖流域內氣溫、降水量、蒸發量與徑流量的關系，發現：氣溫顯著升高，導致流域內冰雪、凍土融化加劇，地表徑流在春季得到的補給增多，每年3、4月徑流量呈增加趨勢，說明流域內氣溫的升高對地表徑流的變化有著重要影響；降水量和徑流量變化相關性很大，但徑流變化對降水的響應具有滯后效應，滯后時間平均為20～30 d；無論是冬季還是夏季，蒸發量和徑流量的相關性都不大，這也表明流域內蒸發量對地表徑流的影響較小；研究期內青海湖流域除了氣溫呈現明顯的增加趨勢，降水量、蒸發量和徑流量都沒有明顯的變化趨勢，處于波動變化狀態。

分析氣候變化對青海湖水位的影響。1958—2010年青海湖流域氣候由冷干逐漸向暖濕變化，其中；1958—2000年青海湖歷年年平均水位持續下降，同期年平均降水量則顯示出波動變化的狀態，且總體增減趨勢不明顯；2000年以后，溫度增加，降水量也有所增加，水位下降趨勢有所改變，在穩定4～5 a后，2005年又開始了持續5 a的上升。可見，降水和氣溫的氣候組合對青海湖水位升降關系的影響明顯。

5 結 語

(1)氣候變化對水量平衡的影響顯著。氣候變化對徑流量的主要影響因素為降水, 其次為氣溫，而對蒸發量影響最明顯的是氣溫；對水量平衡的影響程度取決于降水量和氣溫的變化幅度及其組合關系。

(2)青海湖流域水量盈虧的直接后果是青海湖的擴展或萎縮：降水增加，地表徑流增加，青海湖擴大；溫度升高，蒸發加強，青海湖萎縮。研究表明，青海湖水位變化是氣候冷暖、干濕交替組合綜合作用的結果，不同的氣候階段青海湖水位會呈現不同的變化。

(3)盡管比例小，但流域凍土層地下冰對水量平衡仍有重要作用，這有待于今后進一步研究。

[1] 江志紅,張霞,王冀.IPCC-AR4模式對中國21 世紀氣候變化的情景預估[J].地理研究,2008,27(4):787-799.

[2] 湯劍平,陳星,趙鳴,等.IPCC A2情景下中國區域氣候變化的數值模擬[J].氣象學報,2008,66(1):13-25.

[3] 李爽,王羊,李雙成.中國近30年氣候要素時空變化特征[J].地理研究,2009,28(6):1593-1605.

[4] 裴生山,張順桂,張思芳,等.青海湖流域降水量變化趨勢分析[J].水資源與水工程學報,2013,24(4):217-224.

[5] 金章東,張飛,王紅麗,等.2005年以來青海湖水位持續回升的原因分析[J].地球環境學報,2013,4(3):1355-1362.

[6] 白愛娟,黃融,程志剛.氣候變暖情景下的青海湖水位變化[J].干旱區研究,2014,31(5):792-797.

[7] 馮光揚.水文年內不均勻系數的探討[J].山地研究,1991,9(1):27-32.

(責任編輯 李楊楊)

國家環境保護公益性行業科研專項(201409055)

P333

C

1000-0941(2017)06-0051-03

張明(1982—)，男，福建順昌縣人，助理研究員，碩士，主要從事生態保護與修復研究；通信作者曹學章(1967—)，男，湖南郴州市人，研究員，碩士，主要從事生態恢復與生態標準研究。

2016-10-15